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    核電強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線熱平衡計(jì)算技術(shù)研究

    2014-11-10 14:32:31劉海燕張軍林文生呂杰王貴成
    科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2014年12期
    關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型核電

    劉海燕 張軍 林文生 呂杰 王貴成

    摘 要:核電百萬千瓦級汽輪發(fā)電機(jī)組輸出電流大,運(yùn)行可靠性要求高,所用離相封閉母線均采用強(qiáng)迫冷卻方式冷卻,以增強(qiáng)母線散熱效果,避免出現(xiàn)母線過熱問題。因國內(nèi)至今未能掌握可用于工程應(yīng)用的強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線熱平衡計(jì)算技術(shù),使得該設(shè)備一直長期依賴進(jìn)口。該研究從工程應(yīng)用角度出發(fā),設(shè)定合理邊界條件,建立數(shù)學(xué)模型,完成熱平衡計(jì)算程序編制,并通過仿真及國外工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,證明該計(jì)算軟件完全可應(yīng)用于工程實(shí)際。

    關(guān)鍵詞:核電 強(qiáng)迫風(fēng)冷 熱平衡計(jì)算 電磁仿真 離相母線 過熱 數(shù)學(xué)模型

    中圖分類號:TM645 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)04(c)-0028-05

    國際上,核電百萬千瓦機(jī)組所用離相封閉母線均采用強(qiáng)迫冷卻方式,早20世紀(jì)在六、七十年代國外就已經(jīng)開始強(qiáng)迫冷卻技術(shù)研究及應(yīng)用,而國內(nèi)僅近幾年隨著核電建設(shè)的大力發(fā)展,才開始進(jìn)行該技術(shù)的工程應(yīng)用研究,但尚無實(shí)際的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

    由于國內(nèi)廠家一直不能獨(dú)立承擔(dān)強(qiáng)迫風(fēng)冷IPB的設(shè)計(jì),也無法進(jìn)行IPB關(guān)鍵部分強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì),致使該設(shè)備一直長期依賴進(jìn)口。因此,如何推動國內(nèi)母線廠家突破強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算軟件國產(chǎn)化的瓶頸,徹底實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)計(jì)及設(shè)備全套國產(chǎn)化,意義重大。

    該研究以工程應(yīng)用為目的,聯(lián)合國內(nèi)知名母線廠家,在消化和吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)積累的國內(nèi)外核電工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),合理設(shè)定邊界條件,選取關(guān)鍵參數(shù),并以依傳熱學(xué)、電工學(xué)建立的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù),利用牛頓迭代法建立強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線的熱平衡方程組,通過C語言編制計(jì)算程序,求得方程組的解進(jìn)而得出數(shù)學(xué)模型的解,據(jù)此可進(jìn)行母線及風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、熱交換器等關(guān)鍵部套)的選型計(jì)算及對已選型設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。因此,該文將從數(shù)學(xué)模型建立、軟件編制、熱平衡軟件工程驗(yàn)證、結(jié)論四個(gè)章節(jié)對強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線的熱平衡計(jì)算軟件的研究及驗(yàn)證進(jìn)行詳細(xì)論述。

    1 熱平衡計(jì)算邊界條件及數(shù)學(xué)建模

    1.1 邊界條件假定

    由于母線導(dǎo)體和外殼溫度沿長度變化,母線分段兩端面與相連接部分也存在溫度差,因此沿母線長度方向存在導(dǎo)熱現(xiàn)象;導(dǎo)體和外殼有一定的厚度,其內(nèi)外壁之間也存在溫度差,厚度方向同樣存在導(dǎo)熱現(xiàn)象;加之強(qiáng)制對流換熱系數(shù)沿母線長度方向也有變化。這些因素都使風(fēng)冷封閉母線熱計(jì)算更加復(fù)雜,但對母線熱計(jì)算的結(jié)果影響并不大可忽略,在具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),合理選擇換熱系數(shù)等關(guān)鍵系數(shù),同時(shí)通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)裕度可消化吸收所忽略因素的潛在影響,因此可以假定:

    (1)母線分段端面絕熱,沿母線長度方向不存在導(dǎo)熱現(xiàn)象;

    (2)母線導(dǎo)體及外殼的內(nèi)外壁溫度相等;

    (3)同一通道內(nèi)換熱系數(shù)是相同的,而不計(jì)沿長度變化的影響;

    (4)母線導(dǎo)體只與同一段的外殼發(fā)生輻射換熱,而不與相鄰段的外殼產(chǎn)生輻射換熱。

    1.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷離相封閉母線的傳熱分析

    不同冷卻空氣系統(tǒng)傳熱計(jì)算原則相同,本文以目前國內(nèi)外最常用的全連離相封閉母線單風(fēng)系統(tǒng)來分析其傳熱特點(diǎn),并建立熱平衡方程。單風(fēng)系統(tǒng)封閉母線熱流圖如圖1所示[1]。

    1.3 數(shù)學(xué)模型建立及其邊界條件

    在假定邊界條件下,數(shù)學(xué)模型采用微分方法沿母線長度方向?qū)⒛妇€分成若干段,針對每一段建立熱平衡方程。熱平衡方程參數(shù)較多,但根據(jù)數(shù)學(xué)模型利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)語言編制軟件,通過軟件進(jìn)行熱平衡計(jì)算,所有段的理論溫度值會在幾秒鐘內(nèi)獲得,不僅方便母線選型計(jì)算,而且是風(fēng)冷系統(tǒng)(如風(fēng)機(jī)、電機(jī)及熱交換器)選型的重要依據(jù)。

    就母線導(dǎo)體而言,母線導(dǎo)體的損耗Pm一部分以強(qiáng)制對流的方式傳給母線與外殼之間的空氣流,記為Qmdg,另一部分以輻射的方式傳給外殼內(nèi)表面,記為Qmf。就外殼而言,外殼除本身損耗Pk外,還接受母線導(dǎo)體輻射的能量Qmf和太陽輻射能量Pr,這些熱量一部分由外殼內(nèi)表面以強(qiáng)制對流的方式傳給母線與外殼之間的空氣流,記為Qkdg,一部分以自然對流的方式傳給周圍的空氣,記為Qkd,還有一部分以輻射的方式傳給母線外殼外部環(huán)境,記為Qkf。

    在熱平衡的情況下,應(yīng)滿足下列方程式:

    1.3.1 母線導(dǎo)體熱平衡方程

    1.3.2 母線外殼熱平衡方程

    1.3.3 母線內(nèi)部空氣溫升計(jì)算

    1.3.4 邊界條件

    2 熱平衡計(jì)算及風(fēng)冷系統(tǒng)選型計(jì)算

    2.1 軟件開發(fā)平臺

    強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算軟件的開發(fā)采用了C語言為編程提供集成開發(fā)環(huán)境,在這個(gè)環(huán)境中,編程者可設(shè)計(jì)界面、編寫代碼、調(diào)試程序,直至把應(yīng)用程序編譯成可在Windows中運(yùn)行的可執(zhí)行文件,并為它生成安裝程序。利用C編程語言的可視化界面,根據(jù)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)特性,直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象設(shè)計(jì)出應(yīng)用程序的界面,并為每個(gè)對象設(shè)置屬性,再針對每一個(gè)對象編寫事件驅(qū)動代碼。

    2.2 程序算法原理

    程序的算法原理為牛頓迭代法,牛頓迭代法的核心是用線性函數(shù)近似非線性函數(shù),逐步用線性方程的根近似非線性方程的根。

    程序是建立在強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡方程組的前提下,利用牛頓迭代法通過給定的參數(shù)、假定變量的初始值及假定變量的線性方程,按給定的運(yùn)算判定條件,對方程組中的未知變量進(jìn)行循環(huán)迭代求解。

    2.3 程序邏輯

    令L為母線總長度,n為熱計(jì)算分段數(shù), f為每分段的長度(f=L/n)。母線導(dǎo)體的直徑和管壁厚度分別記為Dm和Cm,外殼的直徑和厚度分別記為Dk和Ck。隨著母線長度的變化,分段建立熱平衡方程,而后逐段求解。分段示意圖如圖2。

    2.4 運(yùn)算界面編制

    利用C語言的可視化界面,根據(jù)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)特性,直接在屏幕上“畫”出窗口、菜單、按鈕等不同類型的對象設(shè)計(jì)出應(yīng)用程序的界面,并為每個(gè)對象設(shè)置屬性,再針對每一個(gè)對象編寫事件驅(qū)動代碼。endprint

    軟件界面分為三部分,第一部分是參數(shù)設(shè)定區(qū),第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū),第三部分屬于導(dǎo)體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

    2.5 程序運(yùn)算

    程序編制完成后,利用電磁仿真校驗(yàn)及大量工程數(shù)據(jù)運(yùn)算等方式,最終完善計(jì)算程序。下面是根據(jù)某項(xiàng)目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù),選定某些關(guān)鍵系數(shù)(如換流系數(shù),阻力系數(shù)及輻射系數(shù),導(dǎo)體黑度等),單相分段數(shù)為20段,程序運(yùn)算結(jié)果如圖3。

    從程序運(yùn)算結(jié)果可知,導(dǎo)體最高溫度71.3 ℃小于標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000要求的90 ℃,溫升小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定50 K,外殼溫度最高為62.9 ℃,小于標(biāo)準(zhǔn)要求的70 ℃,溫升值也小于標(biāo)準(zhǔn)要求的30 K,因此,可判斷該計(jì)算程序數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理,計(jì)算結(jié)果較為理想。

    2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算

    2.6.1 空氣冷卻器的選型計(jì)算

    空氣冷卻器的選型計(jì)算主要包含以下幾個(gè)方面:

    a.計(jì)算空氣冷卻器進(jìn)水溫度θc(℃)和出水θZ(℃),驗(yàn)證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

    b.迎風(fēng)面風(fēng)速Vy及冷卻水流速ω的選擇計(jì)算。

    c.空氣冷卻器主要參數(shù):

    迎風(fēng)面積Fy(m2)

    換熱面積F(m2)

    介質(zhì)通過截面積FZ(m2)

    傳熱系數(shù)k的計(jì)算公式,k值的大小與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy(m/s)、水的流速ω(m/s)、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

    空氣阻力△Hg(pa)的計(jì)算公式,與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

    水的阻力△h(pa)的計(jì)算公式,與水的流速ω有關(guān)。

    2.6.2 風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算

    選擇風(fēng)機(jī)必須滿足下列幾個(gè)要求:

    a.風(fēng)機(jī)風(fēng)壓必須大于整個(gè)風(fēng)道的阻力。

    b.風(fēng)機(jī)風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量,整個(gè)風(fēng)道的阻力=(整個(gè)風(fēng)冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風(fēng)的阻力)。

    c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機(jī)類型,再由通風(fēng)機(jī)性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)機(jī)型號。

    d.考慮到管道的泄露,及壓力損失計(jì)算的不夠精確,故選用風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計(jì)算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

    e.風(fēng)機(jī)的功率,需重點(diǎn)考慮有效功率,即單位時(shí)間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

    3 熱平衡計(jì)算軟件工程驗(yàn)證

    由于強(qiáng)迫風(fēng)冷型式試驗(yàn)段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝,而僅制作試驗(yàn)段并按試驗(yàn)段要求配置強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)(該系統(tǒng)僅適用于試驗(yàn)段),其母線布置及強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大,不能直接驗(yàn)證具體工程熱平衡計(jì)算結(jié)果。因此,熱平衡計(jì)算軟件開發(fā)完成后,如何驗(yàn)證是判斷其能否應(yīng)用于工程實(shí)際的關(guān)鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標(biāo)準(zhǔn)對此進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定,同時(shí)對于是否適用于工程實(shí)際,也無統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn),本文針對軟件的特點(diǎn)及多個(gè)核電工程經(jīng)驗(yàn),提供以下幾種工程驗(yàn)證方式。

    3.1 電磁仿真計(jì)算驗(yàn)證

    在相同邊界條件及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行電磁仿真計(jì)算,通過電磁場三維動態(tài)仿真分析,可以得到外殼及附近相關(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù),將計(jì)算結(jié)果與熱平衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對,以此校驗(yàn)熱平衡計(jì)算的準(zhǔn)確性及合理性。

    通過2.5節(jié)的仿真計(jì)算及熱平衡運(yùn)算可知,該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計(jì)算程序進(jìn)行了相互校驗(yàn),校驗(yàn)結(jié)果為偏差2 ℃左右,綜合考慮計(jì)算、邊界條件及關(guān)鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差,該偏差在合理范圍內(nèi),充分驗(yàn)證了該熱平衡計(jì)算程序。

    3.2 電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    電廠運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù),無疑可以客觀反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),利用該數(shù)據(jù)來校驗(yàn)熱平衡計(jì)算程序的準(zhǔn)確性,具有較大意義,以某核電在運(yùn)機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(見表1),熱平衡計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi),偏差在合理范圍,且導(dǎo)體溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面綜合考慮,可適當(dāng)調(diào)整計(jì)算程序中的關(guān)鍵系數(shù),或考慮較大的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)一步減小計(jì)算偏差。

    3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目的不斷增多,加之國外有經(jīng)驗(yàn)廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與,從而積累了大量的工程計(jì)算數(shù)據(jù)。通過多個(gè)工程項(xiàng)目國外廠家的計(jì)算數(shù)據(jù)與該熱平衡計(jì)算軟件運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比對,相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi),間接驗(yàn)證了該軟件的合理性及工程適用性,并可進(jìn)一步對熱平衡程序進(jìn)行修正及完善。

    3.4 樣機(jī)驗(yàn)證的可行性

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目及大功率常規(guī)項(xiàng)目的迅速增多,強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)用將成為今后的必然趨勢,巨大的市場前景,將促使母線企業(yè)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項(xiàng)目基本參數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算及設(shè)備選型計(jì)算,最終完成強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計(jì)算及詳細(xì)設(shè)計(jì)。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng),暫無廠家擁有成套風(fēng)冷母線的供貨經(jīng)驗(yàn),對于全新的產(chǎn)品,進(jìn)行型式試驗(yàn)是非常有必要的,不僅驗(yàn)證設(shè)備本身,同時(shí)也可驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

    依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗(yàn)的要求,經(jīng)分析除了溫升試驗(yàn)外,其余試驗(yàn)與自冷母線基本一致,可不用重新再做。而溫升試驗(yàn)恰好可驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時(shí),國內(nèi)核電技術(shù)主要有CPR1000、AP1000及EPR三種,電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn),可涵蓋這幾種技術(shù)類型的設(shè)備,僅母線導(dǎo)體及外殼尺寸稍有差別。目前,國內(nèi)已有廠家開始進(jìn)行該樣機(jī)的制造工作,預(yù)計(jì)近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗(yàn)方式驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序。

    4 結(jié)語

    因溫度場的動態(tài)變化快,計(jì)算復(fù)雜,驗(yàn)證困難,核電強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線設(shè)備國產(chǎn)化核心計(jì)算即熱平衡計(jì)算,是整個(gè)母線設(shè)計(jì)的核心部分,是制約強(qiáng)迫風(fēng)冷母線國產(chǎn)化的關(guān)鍵因素。本文首次以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),全面的闡述了熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)及驗(yàn)證方式:

    (1)結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取關(guān)鍵參數(shù)(如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等),建立適用于工程的數(shù)學(xué)模型。

    (2)完成工程應(yīng)用熱平衡計(jì)算軟件編制及運(yùn)算。

    (3)基于熱平衡計(jì)算完成應(yīng)用于工程實(shí)際的風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算,并提出設(shè)計(jì)要點(diǎn),確定關(guān)鍵參數(shù)選取原則。

    (4)首次提出強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序驗(yàn)證方法,并依據(jù)多個(gè)核電工程建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),利用國內(nèi)外成熟的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計(jì)算軟件進(jìn)行了充分驗(yàn)證,使得軟件具備工程應(yīng)用條件,打破強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

    (5)分析國內(nèi)主要核電技術(shù)路線,提出模型樣機(jī)制造路線,將通過樣機(jī)型式試驗(yàn)從根本上驗(yàn)證設(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性,使得強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)計(jì)及制造徹底國產(chǎn)化。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 吳勵(lì)堅(jiān).大電流母線的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)[M].水利電出版社,1985.

    [2] 孔慶東,羅敬安,林福本.大電流母線的設(shè)計(jì)制造及安裝[M].水利電力出版社,1988.

    [3] 孔慶東.分相封閉母線發(fā)熱與散熱計(jì)算[J].電力技術(shù),1980(9).endprint

    軟件界面分為三部分,第一部分是參數(shù)設(shè)定區(qū),第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū),第三部分屬于導(dǎo)體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

    2.5 程序運(yùn)算

    程序編制完成后,利用電磁仿真校驗(yàn)及大量工程數(shù)據(jù)運(yùn)算等方式,最終完善計(jì)算程序。下面是根據(jù)某項(xiàng)目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù),選定某些關(guān)鍵系數(shù)(如換流系數(shù),阻力系數(shù)及輻射系數(shù),導(dǎo)體黑度等),單相分段數(shù)為20段,程序運(yùn)算結(jié)果如圖3。

    從程序運(yùn)算結(jié)果可知,導(dǎo)體最高溫度71.3 ℃小于標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000要求的90 ℃,溫升小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定50 K,外殼溫度最高為62.9 ℃,小于標(biāo)準(zhǔn)要求的70 ℃,溫升值也小于標(biāo)準(zhǔn)要求的30 K,因此,可判斷該計(jì)算程序數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理,計(jì)算結(jié)果較為理想。

    2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算

    2.6.1 空氣冷卻器的選型計(jì)算

    空氣冷卻器的選型計(jì)算主要包含以下幾個(gè)方面:

    a.計(jì)算空氣冷卻器進(jìn)水溫度θc(℃)和出水θZ(℃),驗(yàn)證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

    b.迎風(fēng)面風(fēng)速Vy及冷卻水流速ω的選擇計(jì)算。

    c.空氣冷卻器主要參數(shù):

    迎風(fēng)面積Fy(m2)

    換熱面積F(m2)

    介質(zhì)通過截面積FZ(m2)

    傳熱系數(shù)k的計(jì)算公式,k值的大小與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy(m/s)、水的流速ω(m/s)、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

    空氣阻力△Hg(pa)的計(jì)算公式,與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

    水的阻力△h(pa)的計(jì)算公式,與水的流速ω有關(guān)。

    2.6.2 風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算

    選擇風(fēng)機(jī)必須滿足下列幾個(gè)要求:

    a.風(fēng)機(jī)風(fēng)壓必須大于整個(gè)風(fēng)道的阻力。

    b.風(fēng)機(jī)風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量,整個(gè)風(fēng)道的阻力=(整個(gè)風(fēng)冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風(fēng)的阻力)。

    c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機(jī)類型,再由通風(fēng)機(jī)性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)機(jī)型號。

    d.考慮到管道的泄露,及壓力損失計(jì)算的不夠精確,故選用風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計(jì)算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

    e.風(fēng)機(jī)的功率,需重點(diǎn)考慮有效功率,即單位時(shí)間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

    3 熱平衡計(jì)算軟件工程驗(yàn)證

    由于強(qiáng)迫風(fēng)冷型式試驗(yàn)段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝,而僅制作試驗(yàn)段并按試驗(yàn)段要求配置強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)(該系統(tǒng)僅適用于試驗(yàn)段),其母線布置及強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大,不能直接驗(yàn)證具體工程熱平衡計(jì)算結(jié)果。因此,熱平衡計(jì)算軟件開發(fā)完成后,如何驗(yàn)證是判斷其能否應(yīng)用于工程實(shí)際的關(guān)鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標(biāo)準(zhǔn)對此進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定,同時(shí)對于是否適用于工程實(shí)際,也無統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn),本文針對軟件的特點(diǎn)及多個(gè)核電工程經(jīng)驗(yàn),提供以下幾種工程驗(yàn)證方式。

    3.1 電磁仿真計(jì)算驗(yàn)證

    在相同邊界條件及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行電磁仿真計(jì)算,通過電磁場三維動態(tài)仿真分析,可以得到外殼及附近相關(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù),將計(jì)算結(jié)果與熱平衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對,以此校驗(yàn)熱平衡計(jì)算的準(zhǔn)確性及合理性。

    通過2.5節(jié)的仿真計(jì)算及熱平衡運(yùn)算可知,該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計(jì)算程序進(jìn)行了相互校驗(yàn),校驗(yàn)結(jié)果為偏差2 ℃左右,綜合考慮計(jì)算、邊界條件及關(guān)鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差,該偏差在合理范圍內(nèi),充分驗(yàn)證了該熱平衡計(jì)算程序。

    3.2 電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    電廠運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù),無疑可以客觀反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),利用該數(shù)據(jù)來校驗(yàn)熱平衡計(jì)算程序的準(zhǔn)確性,具有較大意義,以某核電在運(yùn)機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(見表1),熱平衡計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi),偏差在合理范圍,且導(dǎo)體溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面綜合考慮,可適當(dāng)調(diào)整計(jì)算程序中的關(guān)鍵系數(shù),或考慮較大的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)一步減小計(jì)算偏差。

    3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目的不斷增多,加之國外有經(jīng)驗(yàn)廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與,從而積累了大量的工程計(jì)算數(shù)據(jù)。通過多個(gè)工程項(xiàng)目國外廠家的計(jì)算數(shù)據(jù)與該熱平衡計(jì)算軟件運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比對,相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi),間接驗(yàn)證了該軟件的合理性及工程適用性,并可進(jìn)一步對熱平衡程序進(jìn)行修正及完善。

    3.4 樣機(jī)驗(yàn)證的可行性

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目及大功率常規(guī)項(xiàng)目的迅速增多,強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)用將成為今后的必然趨勢,巨大的市場前景,將促使母線企業(yè)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項(xiàng)目基本參數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算及設(shè)備選型計(jì)算,最終完成強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計(jì)算及詳細(xì)設(shè)計(jì)。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng),暫無廠家擁有成套風(fēng)冷母線的供貨經(jīng)驗(yàn),對于全新的產(chǎn)品,進(jìn)行型式試驗(yàn)是非常有必要的,不僅驗(yàn)證設(shè)備本身,同時(shí)也可驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

    依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗(yàn)的要求,經(jīng)分析除了溫升試驗(yàn)外,其余試驗(yàn)與自冷母線基本一致,可不用重新再做。而溫升試驗(yàn)恰好可驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時(shí),國內(nèi)核電技術(shù)主要有CPR1000、AP1000及EPR三種,電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn),可涵蓋這幾種技術(shù)類型的設(shè)備,僅母線導(dǎo)體及外殼尺寸稍有差別。目前,國內(nèi)已有廠家開始進(jìn)行該樣機(jī)的制造工作,預(yù)計(jì)近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗(yàn)方式驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序。

    4 結(jié)語

    因溫度場的動態(tài)變化快,計(jì)算復(fù)雜,驗(yàn)證困難,核電強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線設(shè)備國產(chǎn)化核心計(jì)算即熱平衡計(jì)算,是整個(gè)母線設(shè)計(jì)的核心部分,是制約強(qiáng)迫風(fēng)冷母線國產(chǎn)化的關(guān)鍵因素。本文首次以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),全面的闡述了熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)及驗(yàn)證方式:

    (1)結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取關(guān)鍵參數(shù)(如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等),建立適用于工程的數(shù)學(xué)模型。

    (2)完成工程應(yīng)用熱平衡計(jì)算軟件編制及運(yùn)算。

    (3)基于熱平衡計(jì)算完成應(yīng)用于工程實(shí)際的風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算,并提出設(shè)計(jì)要點(diǎn),確定關(guān)鍵參數(shù)選取原則。

    (4)首次提出強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序驗(yàn)證方法,并依據(jù)多個(gè)核電工程建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),利用國內(nèi)外成熟的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計(jì)算軟件進(jìn)行了充分驗(yàn)證,使得軟件具備工程應(yīng)用條件,打破強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

    (5)分析國內(nèi)主要核電技術(shù)路線,提出模型樣機(jī)制造路線,將通過樣機(jī)型式試驗(yàn)從根本上驗(yàn)證設(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性,使得強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)計(jì)及制造徹底國產(chǎn)化。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 吳勵(lì)堅(jiān).大電流母線的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)[M].水利電出版社,1985.

    [2] 孔慶東,羅敬安,林福本.大電流母線的設(shè)計(jì)制造及安裝[M].水利電力出版社,1988.

    [3] 孔慶東.分相封閉母線發(fā)熱與散熱計(jì)算[J].電力技術(shù),1980(9).endprint

    軟件界面分為三部分,第一部分是參數(shù)設(shè)定區(qū),第二部分是數(shù)據(jù)輸出區(qū),第三部分屬于導(dǎo)體和外殼溫度分布趨勢圖顯示區(qū)。

    2.5 程序運(yùn)算

    程序編制完成后,利用電磁仿真校驗(yàn)及大量工程數(shù)據(jù)運(yùn)算等方式,最終完善計(jì)算程序。下面是根據(jù)某項(xiàng)目母線工程數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù),選定某些關(guān)鍵系數(shù)(如換流系數(shù),阻力系數(shù)及輻射系數(shù),導(dǎo)體黑度等),單相分段數(shù)為20段,程序運(yùn)算結(jié)果如圖3。

    從程序運(yùn)算結(jié)果可知,導(dǎo)體最高溫度71.3 ℃小于標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000要求的90 ℃,溫升小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定50 K,外殼溫度最高為62.9 ℃,小于標(biāo)準(zhǔn)要求的70 ℃,溫升值也小于標(biāo)準(zhǔn)要求的30 K,因此,可判斷該計(jì)算程序數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置均較為合理,計(jì)算結(jié)果較為理想。

    2.6 風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算

    2.6.1 空氣冷卻器的選型計(jì)算

    空氣冷卻器的選型計(jì)算主要包含以下幾個(gè)方面:

    a.計(jì)算空氣冷卻器進(jìn)水溫度θc(℃)和出水θZ(℃),驗(yàn)證是否滿足電廠工業(yè)用水的要求。

    b.迎風(fēng)面風(fēng)速Vy及冷卻水流速ω的選擇計(jì)算。

    c.空氣冷卻器主要參數(shù):

    迎風(fēng)面積Fy(m2)

    換熱面積F(m2)

    介質(zhì)通過截面積FZ(m2)

    傳熱系數(shù)k的計(jì)算公式,k值的大小與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy(m/s)、水的流速ω(m/s)、析濕系數(shù)ξ有關(guān)。

    空氣阻力△Hg(pa)的計(jì)算公式,與迎風(fēng)面風(fēng)速Vy有關(guān)。

    水的阻力△h(pa)的計(jì)算公式,與水的流速ω有關(guān)。

    2.6.2 風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算

    選擇風(fēng)機(jī)必須滿足下列幾個(gè)要求:

    a.風(fēng)機(jī)風(fēng)壓必須大于整個(gè)風(fēng)道的阻力。

    b.風(fēng)機(jī)風(fēng)量需大于風(fēng)冷系統(tǒng)所需要的風(fēng)量,整個(gè)風(fēng)道的阻力=(整個(gè)風(fēng)冷母線的阻力+母線和冷卻器之間連接管道的阻力+冷卻器中風(fēng)的阻力)。

    c.根據(jù)系統(tǒng)選定的風(fēng)量、所需壓頭及已確定的風(fēng)機(jī)類型,再由通風(fēng)機(jī)性能曲線或性能參數(shù)選定風(fēng)機(jī)型號。

    d.考慮到管道的泄露,及壓力損失計(jì)算的不夠精確,故選用風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓應(yīng)大于系統(tǒng)計(jì)算的風(fēng)量和風(fēng)壓。

    e.風(fēng)機(jī)的功率,需重點(diǎn)考慮有效功率,即單位時(shí)間內(nèi)傳遞給空氣的能量。

    3 熱平衡計(jì)算軟件工程驗(yàn)證

    由于強(qiáng)迫風(fēng)冷型式試驗(yàn)段不可能按照具體工程母線布置制作及安裝,而僅制作試驗(yàn)段并按試驗(yàn)段要求配置強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)(該系統(tǒng)僅適用于試驗(yàn)段),其母線布置及強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)參數(shù)與具體工程參數(shù)差異較大,不能直接驗(yàn)證具體工程熱平衡計(jì)算結(jié)果。因此,熱平衡計(jì)算軟件開發(fā)完成后,如何驗(yàn)證是判斷其能否應(yīng)用于工程實(shí)際的關(guān)鍵。但至今國內(nèi)外均沒有標(biāo)準(zhǔn)對此進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定,同時(shí)對于是否適用于工程實(shí)際,也無統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn),本文針對軟件的特點(diǎn)及多個(gè)核電工程經(jīng)驗(yàn),提供以下幾種工程驗(yàn)證方式。

    3.1 電磁仿真計(jì)算驗(yàn)證

    在相同邊界條件及數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行電磁仿真計(jì)算,通過電磁場三維動態(tài)仿真分析,可以得到外殼及附近相關(guān)結(jié)構(gòu)磁場、電流密度、損耗及溫度等分布數(shù)據(jù),將計(jì)算結(jié)果與熱平衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對,以此校驗(yàn)熱平衡計(jì)算的準(zhǔn)確性及合理性。

    通過2.5節(jié)的仿真計(jì)算及熱平衡運(yùn)算可知,該仿真軟件已經(jīng)與熱平衡計(jì)算程序進(jìn)行了相互校驗(yàn),校驗(yàn)結(jié)果為偏差2 ℃左右,綜合考慮計(jì)算、邊界條件及關(guān)鍵系數(shù)選取及網(wǎng)格劃分等誤差,該偏差在合理范圍內(nèi),充分驗(yàn)證了該熱平衡計(jì)算程序。

    3.2 電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    電廠運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù),無疑可以客觀反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),利用該數(shù)據(jù)來校驗(yàn)熱平衡計(jì)算程序的準(zhǔn)確性,具有較大意義,以某核電在運(yùn)機(jī)組監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(見表1),熱平衡計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)誤差在2 ℃以內(nèi),偏差在合理范圍,且導(dǎo)體溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的90 ℃。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面綜合考慮,可適當(dāng)調(diào)整計(jì)算程序中的關(guān)鍵系數(shù),或考慮較大的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)一步減小計(jì)算偏差。

    3.3 國外廠家工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目的不斷增多,加之國外有經(jīng)驗(yàn)廠家ALSTOM、Simelectro.SAS、及AZZ Calvert、意大利ALFA、美國GE等的積極參與,從而積累了大量的工程計(jì)算數(shù)據(jù)。通過多個(gè)工程項(xiàng)目國外廠家的計(jì)算數(shù)據(jù)與該熱平衡計(jì)算軟件運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比對,相對偏差仍可保證在2 ℃以內(nèi),間接驗(yàn)證了該軟件的合理性及工程適用性,并可進(jìn)一步對熱平衡程序進(jìn)行修正及完善。

    3.4 樣機(jī)驗(yàn)證的可行性

    隨著國內(nèi)核電項(xiàng)目及大功率常規(guī)項(xiàng)目的迅速增多,強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線的廣泛應(yīng)用將成為今后的必然趨勢,巨大的市場前景,將促使母線企業(yè)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷母線的開發(fā)及制造。依據(jù)項(xiàng)目基本參數(shù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算及設(shè)備選型計(jì)算,最終完成強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備的選型計(jì)算及詳細(xì)設(shè)計(jì)。但因風(fēng)冷母線在國內(nèi)屬于首創(chuàng),暫無廠家擁有成套風(fēng)冷母線的供貨經(jīng)驗(yàn),對于全新的產(chǎn)品,進(jìn)行型式試驗(yàn)是非常有必要的,不僅驗(yàn)證設(shè)備本身,同時(shí)也可驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

    依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB8349-2000第8.2節(jié)對型式試驗(yàn)的要求,經(jīng)分析除了溫升試驗(yàn)外,其余試驗(yàn)與自冷母線基本一致,可不用重新再做。而溫升試驗(yàn)恰好可驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序及風(fēng)冷設(shè)備選型的合理性。同時(shí),國內(nèi)核電技術(shù)主要有CPR1000、AP1000及EPR三種,電流從33000A至45000A。制造一套40000A左右電流的樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn),可涵蓋這幾種技術(shù)類型的設(shè)備,僅母線導(dǎo)體及外殼尺寸稍有差別。目前,國內(nèi)已有廠家開始進(jìn)行該樣機(jī)的制造工作,預(yù)計(jì)近一兩年內(nèi)可通過溫升試驗(yàn)方式驗(yàn)證強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序。

    4 結(jié)語

    因溫度場的動態(tài)變化快,計(jì)算復(fù)雜,驗(yàn)證困難,核電強(qiáng)迫風(fēng)冷離相母線設(shè)備國產(chǎn)化核心計(jì)算即熱平衡計(jì)算,是整個(gè)母線設(shè)計(jì)的核心部分,是制約強(qiáng)迫風(fēng)冷母線國產(chǎn)化的關(guān)鍵因素。本文首次以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),全面的闡述了熱平衡設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)及驗(yàn)證方式:

    (1)結(jié)合豐富的核電工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)選取關(guān)鍵參數(shù)(如黑度、對流系數(shù)、阻力系數(shù)、輻射系數(shù)等),建立適用于工程的數(shù)學(xué)模型。

    (2)完成工程應(yīng)用熱平衡計(jì)算軟件編制及運(yùn)算。

    (3)基于熱平衡計(jì)算完成應(yīng)用于工程實(shí)際的風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算,并提出設(shè)計(jì)要點(diǎn),確定關(guān)鍵參數(shù)選取原則。

    (4)首次提出強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡計(jì)算程序驗(yàn)證方法,并依據(jù)多個(gè)核電工程建設(shè)及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),利用國內(nèi)外成熟的強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù)對熱平衡計(jì)算軟件進(jìn)行了充分驗(yàn)證,使得軟件具備工程應(yīng)用條件,打破強(qiáng)迫風(fēng)冷熱平衡軟件始終停留在初步理論研究階段。

    (5)分析國內(nèi)主要核電技術(shù)路線,提出模型樣機(jī)制造路線,將通過樣機(jī)型式試驗(yàn)從根本上驗(yàn)證設(shè)備的可靠性及工程應(yīng)用性,使得強(qiáng)迫風(fēng)冷母線設(shè)備設(shè)計(jì)及制造徹底國產(chǎn)化。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 吳勵(lì)堅(jiān).大電流母線的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)[M].水利電出版社,1985.

    [2] 孔慶東,羅敬安,林福本.大電流母線的設(shè)計(jì)制造及安裝[M].水利電力出版社,1988.

    [3] 孔慶東.分相封閉母線發(fā)熱與散熱計(jì)算[J].電力技術(shù),1980(9).endprint

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